Tło historyczne: Atomy - Storytelling @Teaching Model

Komentarze

Transkrypt

Tło historyczne: Atomy - Storytelling @Teaching Model
Tło historyczne: Atomy
Wprowadzenie
Pojęcie atomu jest podstawowym pojęciem we współczesnym naukowym rozumieniu świata.
Znakomity fizyk Richard P. Feynman zastanawiał się kiedyś, że „gdyby poprzez jakiś kataklizm byłaby
zniszczona cała wiedza naukowa, i tylko jedno twierdzenie mogłoby ocaleć dla przyszłych pokoleń, to
które zdanie zawierałoby najwięcej informacji w kilku słowach? W moim przekonaniu byłoby to zdanie
formułujące hipotezę (lub rzeczywistość- jeśli wolicie tak to nazwać) atomistyczną, że: „wszystko składa się
z atomów – małych cząstek, będących w nieustannym ruchu, przyciągających się nawzajem, jeżeli są blisko
siebie lub też odpychających się, gdy je zbytnio ścieśnić” (Feynman i in. 1963, 1-3). Ten cytat jest z kilku
powodów istotny w odniesieniu do prezentowanego tu historycznego tła: Z jednej strony, Feynman
mocno podkreśla, jak ważne dla współczesnej nauki jest pojęcie atomowej struktury materii. Ale
pośrednio podnosi on inną kwestię, istotną przy rozważaniu genezy koncepcji atomowej: Feynman we
wstępie do swego pierwszego wykładu, wypowiadając zdanie o „hipotezie atomowej (albo o rzeczywistości
atomowej – jak wolisz to nazwać)”, jednocześnie uznaje, ale i poddaje w wątpliwość samo istnienie
atomu. Mówi: „Należy zatem zadać pytanie, czy istnienie atomu jest hipotezą czy też faktem? Jeśli faktem,
to jakie są granice poznania atomu, poza którymi zaczyna się już hipoteza.” [p. tłum.] Feynman
rozstrzygnięcie tego zagadnienia pozostawia czytelnikowi, co wydaje się być skrajną formą relatywizmu, a
co można ewentualnie wytłumaczyć patrząc na dzień publikacji: wykłady Feynmana pochodzą z początku
1960 roku, jednak wydaje się wątpliwym, aby w tamtym czasie mogły występować różne podejścia do
zagadnienia istnienia atomu w epistemologii. To zdanie (Feynmana) wydaje się być nieco irytujące z
naszego punktu widzenia, a poza tym demonstruje ono jak dalece wiedza o istocie nauki została
rozwinięta w ostatnich czasach.
[Feynman nigdy nie wątpił w realność atomów. Sam był autorem elektrodynamiki kwantowej, teorii
rządzącej światem atomów i cząstek elementarnych. Sformułowanie „hipoteza albo rzeczywistość – nazwij
to jak chcesz”, jest pewną figurą retoryczną, użytą w trakcie wykładu przez Feynmana, świadczącą jedynie
o pewnej bezceremonialności autora. Uwaga tłumacza]
Na zakończenie warto zwrócić uwagę na fakt, że powstawaniu modelu atomowego na przestrzeni
wieków, od starożytności aż po czasy współczesne, towarzyszyło formowanie się pojęcia pierwiastka
chemicznego. Aspekt ten mógłby być uwzględniany w programach edukacyjnych. W tym opracowaniu
historyczny rozwój pojęcia pierwiastka chemicznego nie będzie omawiany, lecz traktowany domyślnie
jako już istniejący.
Starożytne poglądy na strukturę materii
Zagadnienie budowy materii było rozważane
już przez starożytnych Greków; ich dorobek
naukowy dotarł do Europy w pierwszych wiekach
naszej ery.1 W ich poglądach pojawiło się pojęcie
pierwotnej substancji, tworzącej wszystkie
pozostałe substancje, jednak nie była ona
synonimem najprostszej teorii atomowej, gdyż jej
istnienie nie było uwarunkowane żadną teorią
1
Istnieją dowody, że modele świata materialnego istniały także
w kulturze indiańskiej jak i w babilońskiej, lecz nie odegrały
one żadnej roli w kształtowaniu się teorii atomowej w nauce
europejskiej, stąd nie będą one omawiane w tym
opracowaniu.
korpuskularną. Do filozofów starożytnej Grecji,
którzy stworzyli lub rozwinęli określone koncepcje
dotyczące struktury materii należą: Tales z Miletu,
Anaksymenes, Heraklit i Empedokles. Około 450
roku przed Chrystusem Demokryt i Leukkipos
wprowadzili nową ideę – koncepcję atomu. Oboje
postulowali, że świat materialny jest zbudowany z
bardzo drobnych i niepodzielnych cząstek.
Różnorodność materii miała być uwarunkowana
różnorodnością rodzajów atomów – każdy rodzaj
atomów miał mieć właściwy sobie kształt i
wielkość. Demokryt głosił, że atomy są
w ciągłym ruchu, a ich ruch odbywa się w pustej
przestrzeni. Ruch atomów sprawia, że pomiędzy
Tło hisotryczne: Atomy
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
1
© 2012, [email protected] Research Group
nimi zachodzą zderzenia. Atomy mogą też łączyć
się ze sobą, tworząc w ten sposób nowe substancje,
jednak połączenia między atomami nie są trwałe i
atomy mogą rozdzielać się na nowo.
Koncepcje Leukkiposa i Demokryta nie zostały
zaakceptowane przez ich współczesnych z dwóch
powodów.
Pierwszym
z
nich
był
bezkompromisowy materializm ich filozofii
atomistycznej. Atomiści, wyjaśniając odczucia
zmysłowe i proces myślenia jako rezultat ruchu
określonych atomów (atomów duszy – przyp.
tłum), stawiali wyzwanie możliwościom ludzkiego
rozumienia. Atomizm zdawał się nie uznawać
wartości duchowych, a takie wartości jak przyjaźń,
odwaga, szacunek nie mogły być redukowane do
„zbiorowiska atomów”. Ponadto, atomiści
uznawali rozważania o celowości świata,
prowadzone na gruncie czy to religijnym czy
materialistycznym, jako nienaukowe,. Drugim
czynnikiem utrudniającym akceptację filozofii
atomistycznej był sam charakter atomistycznej
koncepcji, jako pomysłu ‘ad hoc’, nie
weryfikowalnego empirycznie (Loose 2001, 25).
Ponadto
istniała
w
tamtym
czasie
konkurencyjna
teoria,
teoria
czterech
pierwiastków (żywiołów), która całą istniejącą
materię i jej własności tłumaczyła oddziaływaniem
czterech elementów: Wody, Powietrza, Ognia i
Ziemi.2 Zwolennikiem tej teorii był słynny filozof
grecki, Arystoteles, który ją też rozwinął,
dodawszy do niej element piąty – eter, substancję
która wypełnia przestrzeń między ciałami
niebieskimi. Arystoteles uważał, że pusta
przestrzeń nie może istnieć, gdyż natura odczuwa
obawę przed pustką (horror vacui). Arystoteles
wyrażał też pogląd, że wszystko w przyrodzie jest
intencjonalne (celowe), dlatego nie ma w niej
miejsca na zbędne działania. Każdy obiekt ma
swoje naturalne położenie i jeśli jest z tego
położenia przesunięty, to próbuje on do tego
położenia powrócić. W konsekwencji, Arystoteles
wyjaśniał obserwowane procesy z ich zasad. Z
kolei atomiści nie byli w stanie przeciwstawić
rozumowaniu Arystotelesa jakiegoś innego
znaczącego wyjaśnienia zjawisk świata, co więcej
– zakładali istnienie cząstek, których nikt nie mógł
zobaczyć – co było głównym zarzutem
Arystotelesa wobec teorii atomowej. Arystoteles
nie akceptował też idei pustej przestrzeni;
absurdalnym dla niego zdawał się też bezustanny
ruch atomów w tej przestrzeni. W sumie był on
przeciwny koncepcji atomowej jako sprzecznej z
jego podstawowymi przekonaniami. Poglądy
filozoficzne Arystotelesa w decydującej mierze
wpłynęły na odrzucenie teorii atomistycznej
Leukkiposa i Demokryta.
Oryginalne dzieła Leukipposa i Demokryta
zaginęły i były znane jedynie z opracowań
krytycznych, natomiast prace Arystotelesa
zachowały się i zostały rozpropagowane w
kulturze islamskiej, aby w czasach nowożytnych
powrócić do Europy i do kultury chrześcijańskiej.
W okresie scholastycznym, Arystotelesowskie
widzenie świata było dominujące, tym bardziej, że
okazało się ono zgodne z wizją świata
odczytywaną z Biblii.
Jednak astronomowie
i nieco później filozofowie przyrody dochodzili do
innego
rozumienia
zjawisk
przyrody
– w konsekwencji autorytet Arystotelesa był coraz
bardziej kwestionowany w wiekach XVII i XVIII
– i pod koniec tego okresu pojawił się
oświeceniowy filozof przyrody, który miał
dokonać znaczących odkryć w dziedzinie praw i
natury materii. W tym okresie pojawiły się pewne
eksperymenty oraz nowe przemyślenia, które
wzmocniły
antyczną
hipotezę
atomową.
Szczególnie ważnym był pokaz istnienia próżni3.
Innej argumentacji dostarczało rozważanie
zjawiska spalania niewielkiej ilości kadzidła,
którego zapach wyczuwa się następnie w całym
pomieszczeniu. Jak małe muszą być cząstki
kadzidła pokazywało wyliczenie – aby cząstki te
wypełniły całe pomieszczenie, to objętość małej
porcji kadzidła powinna być podzielona na
przynajmniej 750 000 000 części (zob. Beer &
Pricha 1997). Jednak na podstawie tych prostych
obliczeń trudno było cokolwiek powiedzieć o
istnieniu atomów oraz przewidzieć ich
2
Należy rozumieć, że elementy te nie były tym co nazywamy
obecnie ziemią, ogniem, powietrzem i wodą, ale pewnymi
podstawowymi elementami (patrz także tło historyczne
rozwoju układu okresowego pierwiastków).
2
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
3
O pewnych kontrowersjach dotyczących istnienia próżni i o
związanych z tym implikacjach filozoficznych patrz Shapin &
Schaffer 1989
Tło hisotryczne: Atomy
właściwości. Nowe ustalenia przyniósł dopiero
początek XIX wieku.
Strukturyzacja materii: Dalton
Przyglądając się rozwojowi współczesnej nauki,
dostrzegamy postać Johna Daltona, który, jak
wiele na to wskazuje, był pierwszym uczonym,
który zapoczątkował
współczesną koncepcję
atomową. Dalton był chemikiem, który przejął po
Lavoisier i następnie rozwinął, nowe podejście do
zagadnień chemii.
Podejście Lavoisier’a polegało na ilościowej
analizie składników reakcji, co pozwoliło mu
sformułować pierwsze ważne prawo nowoczesnej
chemii – prawo zachowania masy. Lavoisier
w Opuscules physiques et chimiques (1774) napisał,
że w swych badaniach „stosował nie tylko
przyrządy
i
metody
pomiarowe
fizyki
eksperymentalnej, ale także reguły precyzji i
obliczeń, które charakteryzują tą dziedzinę nauki”
(Nye 1993, 35). Tym co uczyniło chemię
Lavoisier’a różną od jej dotychczasowego oblicza,
była też inna notacja reakcji chemicznych, która
pozwoliła na stosowanie opisu ilościowego
i interpretację prostych substancji jako
pierwiastków. Co ciekawe, Lavoisier szukając
właściwego wyjaśnienia pojęcia pierwiastka,
doszedł do stwierdzenia, że słowo to może też
oznaczać atomy, z których zbudowana jest
materia, jednak zaraz dodawał, że o ich istnieniu
niczego więcej powiedzieć nie można (Lavoisier
1794, xxiii). Jednakże, Lavoisier używa pojęcia
„atomu”, mimo iż nie optuje za teorią atomową.
Ponadto, jego określenie pierwiastka jest istotne
dla wprowadzenia założeń teorii atomistycznej.
Drogę dla współczesnej teorii atomistycznej
utorowało jeszcze jedno odkrycie przypadające na
koniec XVIII wieku – prawo stałego składu
[prawo Proust’a – przyp. tłum.], które stwierdza,
że większość związków chemicznych powstaje
w wyniku reakcji ściśle określonych proporcji mas
substancji tworzących ten związek. Wkrótce
Dalton odkrył, że są pewne reakcje chemiczne, w
których te same substancje mogą dać różne
związki chemiczne (np. reakcja tlenu z miedzią
prowadzi do powstania dwóch różnych związków
chemicznych, podobnie ma się rzecz w przypadku
reakcji tlenu z węglem, itd..). Okazało się, produkt
końcowy zależał od ilości substancji początkowych
wchodzących w reakcję ze sobą. Dalton zauważył
tutaj pewną regularność: otóż stosunek mas
pierwiastka A, który reagując z tą samą ilością
pierwiastka B, dawał dwa różne związki
chemiczne, wyrażał się ilorazem małych liczb
całkowitych. Odkryta przez Daltona prawidłowość
została nazwana prawem wielokrotnych proporcji.
Prawo to, wraz z prawem stałego składu dały
podstawy stechiometrii chemicznej.
Nie był to jedyny wniosek, który Dalton
wyciągnął ze swoich doświadczeń: W wykładzie
wygłoszonym w Royal Institute w Londynie4,
zaproponował następujące postulaty, które
obecnie
stanowią
podstawę
współczesnej
atomowej teorii materii:
Cała materia jest zbudowana z atomów,
Atomy nie powstają ani nie ulegają zniszczeniu,
Wszystkie atomy tego samego pierwiastka są identyczne,
Każdy pierwiastek ma właściwy sobie typ atomów,
Reakcje chemiczne mają miejsce wtedy, kiedy atomy
zmieniają swoje wzajemne przyporządkowanie,
Związki chemiczne są zbudowane z atomów
pierwiastków składowych. 5
Podane przez Daltona pojęcie atomu różni się
od pojęcia Lavoisier’a. Atom w rozumieniu
Daltona jest obiektem policzalnym, ma określoną
masę itp., natomiast koncepcja Lavoisier’a jest
bardziej ukierunkowana na własności chemiczne
atomów, które są co prawda istotne, ale z niej nie
wynika, czy odnosi się ona do rzeczywistych
cząstek.
Koncepcja atomowa pozwoliła Daltonowi
uzasadnić prawa stechiometrii. Prawo stałego
składu wynikało z założenia, że wszystkie atomy
danego pierwiastka są identyczne, a przebieg
reakcji jest uwarunkowany przegrupowywaniem
się atomów. Z kolei prawo stałych proporcji
mogło być interpretowane jako rezultat różnych
ułożeń (wzajemnych przyporządkowań) atomów,
co skutkowało tworzeniem się różnych związków
chemicznych.
Tak sądząc, wiedza dotycząca chemicznej
analizy jakościowej została oparta na pierwszym
4
Wg Clarke (1803) pierwsza prezentacja miała miejsce w
Manchester Philosophical Society
5
http://www.rsc.org/chemsoc/timeline/pages/1803.html,
April 18, 2012
Tło hisotryczne: Atomy
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
3
© 2012, [email protected] Research Group
paradygmacie Kuhn’a (i z tego względu można
uważać, że to osiągnięcie zwróciło chemię
stechiometryczną w kierunku nauk w sensie
Kuhn’a).
Postulaty Daltona spotkały się z krańcowo
odmiennymi reakcjami środowiska uczonych:
część
z nich zaakceptowała je natychmiast,
jednak większość - odrzuciła. Poważną trudność
sprawiało założenie, iż każdy pierwiastek jest
uformowany przez właściwe jemu atomy, co na
początku XIX wieku oznaczało, że powinno istnieć
około trzydziestu różnych rodzajów atomów, a ich
liczba wraz z odkrywaniem nowych pierwiastków
wciąż wzrastała. Tak więc zamiast uproszczenia
opisu świata materialnego, teoria Daltona czyniła
go bardziej skomplikowanym.
Pomimo krytycznego podejścia do samej teorii
atomowej, prawa stechiometrii [które w teorii
atomowej znajdowały proste wyjaśnienie – przyp.
tłum.] były powszechnie stosowane przez
chemików; niektórzy z nich używali liczb
ułamkowych do wyrażenia stosunku mas, dając w
ten sposób wyraz swojemu przekonaniu, że nie ma
niepodzielnych cząstek. To nie był tylko opór
przed akceptacją nowinki naukowej, ponieważ
jeszcze sześćdziesiąt lat później, zastrzeżenia
wobec
teorii
atomowej
wyraził
Prezes
Towarzystwa
Chemicznego
Williamson
w przemówieniu z 1869 roku: „... chociaż wszyscy
chemicy posługują się teorią atomową, to jednak
znaczna ich część spogląda na nią z nieufnością,
a niektórzy – z wyraźną antypatią” (cyt. Tilden &
Glasstone 1926, 227). Jeszcze na początku XX
wieku wielu znanych fizyków i chemików
odrzucało teorię atomową – wrócimy później do
tej kwestii. Pomimo licznych zastrzeżeń
dotyczących istnienia atomu, stał się on, zwłaszcza
dla chemików, jednostką wykorzystywaną przez
nich do analizy reakcji chemicznych. Jednakże, nie
był on traktowany jako obiekt realny (ani w sensie
empirycznym, ani w sensie opisu teoretycznego),
lecz jako pewne użyteczne narzędzie analizy, co
nie miało nic wspólnego z ówczesnym
rozumieniem materii (Görs 1999).
Atom zostaje zaakceptowany
Podczas gdy chemicy zaakceptowali atom tylko
jako użyteczną hipotezę, fizycy zaczęli traktować
go jako obiekt realny, co pozwoliło im wyjaśniać
z powodzeniem szereg zjawisk. W ustanowieniu
atomu fizycznego ważną rolę odegrał rozwój
termodynamiki, a w szczególności teoria
kinetyczna materii, w której ramach atom
odgrywa kluczową rolę (atomy w ruchu
reprezentują ciepło). Ściśle: ruch atomów
reprezentuje energię wewnętrzną układu, której
makroskopową
miarą
jest
temperatura
bezwzględna,
natomiast
ciepło
oznacza
„przepływ” energii wewnętrznej od ciała o wyższej
temperaturze, do ciała o temperaturze niższej –
przyp. tłum.] Jednak realność atomu poddana
została ostrej krytyce, w szczególności w
niemiecko-języcznej społeczności akademickiej,
przez uczonych takiej miary jak Ernst Mach,
Wilhelm Ostwald czy Georg Helm6. Kontrowersje
pomiędzy tymi badaczami a zwolennikami
interpretacji statystycznej (przede wszystkim z
Boltzmannem) nie były tylko oparte na
przesłankach fizycznych, ale zawierały głębokie
kwestie filozoficzne. Kluczowym było pytanie czy
pojedyncze atomy mogą być dostrzeżone, lub też
– czy istnieje dowód na istnienie pojedynczych
atomów?
Na początku XX wieku wydawało się, że teoria
atomowa jest obalona, a Boltzmann został
reliktem z XIX wieku. Postać rzeczy uległa
raptownej zmianie kiedy Planck ogłosił swoją
teorię promieniowania [1900, przyp. tłum.] i
jednocześnie w tym samym czasie Einstein i
Smoluchowski opublikowali swoją teorię ruchów
Browna [1905/1906, przyp. tłum].
Odkrycie ruchów Browna jest przypisywane
szkockiemu botanikowi Robertowi Brownowi,
który we wczesnych latach XIX wieku [1827,
przyp. tłum.] zauważył pod mikroskopem, że pyłki
kwiatowe lub cząstki kurzu, kiedy są zanurzone w
cieczy, wykonują bezładny, nieuporządkowany
6
Również Max Planck (chociaż z innych powodów)
początkowo krytykował atomizm, dopóki nie zaakceptował
go, dzięki statystycznej interpretacji Boltzmanna, zobacz
Müller (2008). Krytyka atomizmu nie ograniczała się tylko do
społeczności mówiącej po niemiecku, gdyż przeciwnikiem
atomizmu był także Poincare, francuski fizyk i matematyk.
4
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
Tło hisotryczne: Atomy
ruch. Znamienną cechą tego ruchu było to, że
nigdy nie ustaje, nawet wtedy, gdy poruszające się
cząstki nie należą do świata ożywionego. Przez
prawie osiemdziesiąt lat od odkrycia ruchów
Browna, pomimo wielokrotnych prób wyjaśnienia
tego zjawiska, pytanie o przyczynę nieustannego
ruchu cząstek zawiesiny pozostawało bez
odpowiedzi. Dopiero w latach 1905 – 1906 Albert
Einstein i Marian Smoluchowski, przedstawili,
niezależnie od siebie, matematyczną analizę
ruchów Browna. Obydwaj badacze wyjaśnili, że
ruch cząstek zawiesiny może być spowodowany
ruchem cząsteczek wody wskutek ich energii
kinetycznej; w ten sposób ruch brownowski
okazywał
się
pierwszym
efektem
makroskopowym, który mógł być wyjaśniony w
oparciu o założenie istnienia małych cząstek,
dostarczając w ten sposób argumentów na rzecz
teorii kinetycznej a w konsekwencji – teorii
atomowej. Prace Smoluchowskiego i Einsteina
zapoczątkowały powrót teorii atomistycznej do
łask u wielu z jej dotychczasowych przeciwników,
w tym przede wszystkim u Wilhelma Ostwalda i
Ernsta Macha. W ciągu kilku lat stosunek świata
naukowego do teorii atomistycznej zmienił się
radykalnie, od całkowitego odrzucenia do niemal
zupełnej akceptacji. Ludwig Boltzmann, wielki
orędownik teorii atomistycznej, nie doczekał tego
momentu – zmarł śmiercią tragiczną we wrześniu
1906 roku.
W tym miejscu jednakże wypadałoby
podkreślić szczególny wkład Polaka - Marina
Smoluchowskiego (1872 – 1917) w rozwój
nowoczesnej atomistycznej teorii materii. Uczony
ten już u progu swojej drogi naukowej, jako temat
swojej rozprawy habilitacyjnej, wybrał zagadnienie
skoku temperaturowego w rozrzedzonym gazie w
pobliżu ścianek naczynia, przeprowadzając
matematyczną analizę tego zjawiska w oparciu o
założenia teorii kinetyczno-molekularnej materii.
Uczynił to w czasie (1897-98), kiedy teoria
kinetyczno-molekularna była w odwrocie. Pracę
Smoluchowskiego docenił natychmiast Ludwig
Boltzmann, który w przedmowie do swego dzieła
„Wykłady z teorii gazów” (1898) zacytował jej
wyniki, jako potwierdzenie słuszności teorii
kinetyczno-molekularnej materii. Około roku
1900 Smoluchowski zajął się zagadnieniem
ruchów Browna. Wiadomo o tym na podstawie
korespondencji pomiędzy nim a Feliksem
Exnerem, autorem publikacji dotyczącej ruchów
Browna, któremu jednak nie udało się wyjaśnić
tego zjawiska. W roku 1903 Marian Smoluchowski
miał już gotowy wynik. W pracy tej wyjaśnił, iż
ruchy Browna są wywołane fluktuacjami
prędkości cząsteczek środowiska otaczających
cząstkę zawiesiny. Jako niezwykle rzetelny uczony
wstrzymywał się jednak z ogłoszeniem swego
wyniku, nie mając potwierdzających go
wiarygodnych danych doświadczalnych. W roku
1905 Einstein opublikował pracę na temat ruchu
cieplnego cząstek zawiesiny, podając w niej wzór
na średni kwadrat przesunięcia x2 cząstki w
funkcji czasu. Smoluchowski rozpoznał w nim
swój wcześniej uzyskany wynik. Ponieważ Einstein
doszedł do swojego rezultatu posługując się
prawami fizyki statystycznej, bez wnikania w
rzeczywisty mechanizm zjawiska, Smoluchowski
w 1906 r. zdecydował się na opublikowanie swojej
pracy, pragnąc w ten sposób podkreślić, że do
wyjaśnienia badanego zjawiska można dojść na
drodze elementarnej, posługując się założeniami
kinetyczno-molekularnej teorii materii.
Eksperymentalne potwierdzenie słuszności
wzoru Einsteina-Smoluchowskiego przyniosły
ostatecznie prace Jeana Perrina w latach 1908 –
1909, przyczyniając się do tryumfu teorii
kinetyczno-molekularnej materii.
Marian Smoluchowski swą pracą na temat
ruchów Browna oraz kolejnymi pracami, m.in.
poświęconymi zjawisku opalescencji (co pozwoliło
ostatecznie wyjaśnić problem błękitu nieba)
zapoczątkował rozwój nowego działu fizyki –
teorii procesów stochastycznych (przypadkowych,
losowych).
Atom ujawnia swoją wewnętrzną budowę
Jeszcze
przed
pracami
Einsteina
i Smoluchowskiego, które doprowadziły do
powszechnego konsensusu w kwestii atomowej
struktury materii, miały miejsce odkrycia, które
podważały postulat niepodzielności atomu.
Chodzi o pracę Faraday’a, datowaną na rok 1830,
w której odkrył on, że podczas elektrolizy
(przepływu prądu przez elektrolit), określona ilość
ładunku elektrycznego, uwalnia z elektrody
Tło hisotryczne: Atomy
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
5
© 2012, [email protected] Research Group
określoną ilość pierwiastka (m=kit). Niestety ten
wynik nie zrodził pytania o atomową naturę
materii. Aż do początku wieku XX nie było
jasnym, czy elektryczność ma strukturę atomową
oraz jaka jest przyczyna ścisłej relacji między
ładunkiem a uwalnianą masą. Ten problem został
rozstrzygnięty z chwilą odkrycia i wyznaczenia
ładunku elementarnego przez Milikana w 1911
roku, za co Milikan został uhonorowany nagrodą
Nobla w 1920 roku.
Kolejne doświadczenia, które kwestionowały
niepodzielny charakter atomów, pojawiły się przy
końcu XIX wieku. W latach 60’ XIX wieku Bunsen
stwierdził, że widmo światła emitowanego
z substancji [poddanej na przykład działaniu
wysokiej temperatury, poprzez umieszczenie jej w
płomieniu palnika – przyp. tłum.] jest bardzo
charakterystyczne i zawiera
tylko określone
długości fal. To odkrycie zaowocowało
powstaniem nowej metody badawczej – analizy
spektralnej
–
służącej
do
identyfikacji
pierwiastków. Dzięki niej w ciągu kilku
następnych
lat
liczba
nowo
odkrytych
pierwiastków
znacząco
wzrosła.
Analiza
spektralna została też wykorzystana do badania
promieni katodowych i ich oddziaływania z gazem
w rurze do wyładowań. W takim postępowaniu
doświadczalnicy upatrywali szansę odkrycia reguł
rządzących budową materii (Müller 2004).
Wśród badaczy na tym polu należy wymienić
J. J. Thomsona, który ustalił, że promienie
katodowe stanowi strumień cząstek naładowanych
[ujemnie – przyp. tłum.] o masie równej około
1/1000 masy atomu wodoru7. Badając odchylenie
toru promieni katodowych w polu magnetycznym
wyznaczył stosunek masy do ładunku cząstki. Na
materiał katody Thomson stosował różne metale i
za każdym razem stwierdzał podobne właściwości
cząstek
„katodowych”.
Zrodziło
to
przypuszczenie, że cząstki te muszą być
podstawowym składnikiem materii (chodzi o
elektron,
ujemnie
naładowaną
cząstkę
7
Warto zauważyć, że jego syn George Pagot Thomson w tym
czasie został nagrodzony Nagrodą Nobla za pracę dotyczącą
dyfrakcji elektronów. Można powiedzieć, że J.J. Thomson
zdobył Nagrodę Nobla za pokazanie, że electron jest cząstką,
natomiast jego syn został uhonorowany za pokazanie, że
elektron ma również falowy charakter.
6
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
elementarną, którego odkrycie przypisuje się
Thomsonowi, przyp. tłum). Pojawił się wówczas
problem stabilności materii zawierającej w sobie
lekkie, ujemnie naładowane cząstki. Thomson
znalazł w końcu następujące rozwiązanie:
„Zakładamy, że atom zbudowany jest z pewnej
liczby cząstek [elektronów], poruszających
wewnątrz
sfery
naładowanej
jednorodnie
ładunkiem dodatnim...” (Thomson 1904, 255)8.
[Był to model “ciasta z rodzynkami” – przyp.
tłum.] Oznaczało to, że atom nie jest już
niepodzielny i posiada swoją wewnętrzną
strukturę.
Wkrótce okazało się, że konieczna będzie
modyfikacja modelu Thomsona, uzasadniona
wynikami uzyskanymi w trakcie badań nad
promieniotwórczością, nową dziedziną fizyki,
która wyłoniła się na początku XX wieku. Jednym
z naukowców, który swoją karierę naukową
związał z tym nowym zjawiskiem był Ernest
Rutherford, fizyk pochodzący z Nowej Zelandii
(w roku 1908 otrzymał nagrodę Nobla z chemii za
badanie naturalnego rozpadu promieniotwórczego
i za odkrycie cząstek alfa i beta emitowanych w
trakcie tego rozpadu). W Laboratorium
Cavendisha (Cambridge) jego dwóch asystentów –
Marsden i Geiger – przeprowadzili eksperyment
rozpraszania cząstek alfa na folii wykonanej z
metalu (w późniejszym czasie stosowali folię ze
złota, gdyż możliwe było przygotowanie jej
niezwykle cienkiej) (Geiger & Marsden 1909).
Rutherford szukał potwierdzenia wyników
rozpraszania wykonanych wcześniej z użyciem
warstwy miki. Eksperyment powtórzono, a jego
wynik był bardziej niż irytujący: Geiger i Marsden
zaobserwowali, że, co prawda, zdecydowana
większość cząstek alfa przechodzi przez folię
metalową, przy czym część z nich zmienia
kierunek biegu, jednak kilka z nich ulega odbiciu
wstecz. Wynik ten dla Rutherforda był tak
zaskakujący, że pozwolił on sobie na następujące
porównanie „jak gdyby po wystrzeleniu
piętnasto-calowej kuli w kierunku serwetki, kula ta
odbiła się od niej i trafiła z powrotem w strzelca”.
(Heilbron 1981, 264f.) Rutherford na podstawie
zachowania się cząstek alfa wyliczył, że atom
8
Fizyk japoński, Nagaoka doszedł do podobnego wniosku
jeden rok wcześniej.
Tło hisotryczne: Atomy
zawiera bardzo małe, dodatnio naładowane jądro,
w którym skoncentrowana jest niemal cała masa
atomu, natomiast większość przestrzeni w atomie
jest pusta, za wyjątkiem elektronów, które
poruszają się w niej gdziekolwiek.
Atom może się zmieniać
Jak już wspomniano, Ruthetford stał się sławny
dzięki badaniom promieniotwórczości, jednak nie
był pierwszym, który te badania zapoczątkował.
Badaczem, który jako pierwszy zaobserwował
zjawisko promieniotwórczości, był francuski fizyk
Henri
Becquerel,
którego
odkrycie
zapoczątkowało nowy kierunek badań fizycznych.
Jednak początkowo radioaktywność traktowana
była przez Becquerela i innych badaczy jako
kuriozum,
niewarte
poważnych
badań
naukowych. Dopiero badania przeprowadzone
przez dwoje młodych uczonych Marię
Skłodowską, Polkę i Piotra Curie, Francuza,
wykazały doniosłość odkrycia Becquerela:
stwierdzili oni, że w badanych minerałach
zawierających uran występuje jeszcze inny
pierwiastek promieniotwórczy, o silniejszej
radiacji niż czysty uran.
Po długich i żmudnych eksperymentach udało
się im wyodrębnić z rudy uranowej dwa nowe
pierwiastki polon i rad. W szczególności ważnym
dla badań okazał się rad, który był pierwiastkiem o
dużej aktywności i wysyłał różnego rodzaju
promieniowanie. Wkrótce okazało się, że wiele
innych
pierwiastków
posiada
zdolność
emitowania takiego promieniowania. Odkryto też
rzecz zadziwiającą – przekształcenie się jednego
pierwiastka
w
drugi
podczas
rozpadu
promieniotwórczego alfa lub beta. Z tym
odkryciem związana jest pewna anegdota,
przypisywana Rutherfordowi: „Rutherford i
Soddy stwierdzili, że radioaktywny tor, atom po
atomie, zamienia się
w
promieniotwórczy rad. W pewnej chwili, po
namyśle, Soddy’emu wyrwało się „Rutherford, to
jest transmutacja!” (przeobrażenie!) . ‘Przez
wzgląd na Mike’a’ odpowiedział jego towarzysz,
‘nie nazywaj tego transmutacją. Oni zażądają
naszych głów, jak od alchemików” (Weart 1988,
5f.).
Badania prowadzone przez małżeństwo Curie
pozwoliły ustalić, że promieniowanie danej
substancji
jest
właściwością
określonego
pierwiastka wchodzącego w jej skład, ponadto
cechą charakterystyczną każdego pierwiastka
promieniotwórczego jest rodzaj i intensywność
wysyłanego promieniowania (na przykład uran
wysyła inny rodzaj promieniowania niż polon lub
rad). Z ich doświadczeń wynikało też, że
aktywność promieniotwórcza próbek maleje z
upływem czasu, co scharakteryzowano tak
zwanym okresem półrozpadu (pół zaniku),
oznaczającym upływ czasu po którym natężenie
wysyłanego promieniowania spada do połowy
początkowej wartości.
Prawo zaniku promieniotwórczego stwarzało
początkowo pewne trudności interpretacyjne;
najpierw sądzono, że czas półrozpadu odnosi się
do pojedynczego atomu, tym bardziej, że aktowi
emisji określonego rodzaju promieniowania
towarzyszy (zazwyczaj) przemiana atomu danego
pierwiastka w atom innego pierwiastka, jednak w
końcu okazało się, że prawo to funkcjonuje
poprawnie w odniesieniu do dużego zbioru
atomów. Innymi słowy prawo zaniku (lub rozpadu
promieniotwórczego) jest prawem statystycznym i
określa prawdopodobieństwo rozpadu atomu
(teraz wiemy, że jądra atomowego) danego
pierwiastka i towarzyszącej temu emisji
promieniowania; dlatego nie możemy przewidzieć
zachowania się indywidualnego atomu w danej
chwili czasu, natomiast przewidywania odnośnie
dużego zbioru atomów (np. ok. 1018) okazują się
jak najbardziej poprawne.
Analiza składu promieniowania emitowanego
z ciał radioaktywnych wykazała istnienie trzech
różnych
rodzajów
promieniowania
(promieniowanie korpuskularne alfa i beta oraz
promieniowanie elektromagnetyczne gamma –
przyp. tłum.). Pewną niespodziankę sprawiło
promieniowanie alfa, gdyż okazało się, że składa
się ono z jąder helu, pierwiastka wykrywanego
wtedy
tylko
na
słońcu
(metodami
spektroskopowymi), natomiast na Ziemi jeszcze
nieodkrytego. Obecność w promieniowaniu ciał
promieniotwórczych dodatnich cząstek alfa
i ujemnych cząstek beta świadczyła o złożoności
budowy wewnętrznej atomu.
Tło hisotryczne: Atomy
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
7
© 2012, [email protected] Research Group
Atomy fizyczne i atomy chemiczne
Określenie właściwości różnych promieni
emitowanych przez ciała promieniotwórcze
okazało się niezwykle ważne dla poznania
wewnętrznej budowy atomu. W pierwszej
kolejności wyznaczono masę i ładunek cząstek
wchodzących
w
skład
promieniowania.
Przepuszczając wiązkę promieni przez obszar
jednorodnego pola magnetycznego o ściśle
określonym natężeniu, w kierunku prostopadłym
do linii sił pola, uzyskiwano zakrzywienie toru
biegu tych promieni: z odchylenia toru cząstek
wyznaczano stosunek ładunku do masy cząstki.
Francis
Aston
zmodyfikował
metodę
odchylania toru cząstki naładowanej w polu
magnetycznym, do badania mas atomów, budując
w tym celu tzw. spektrometr masowy. Dzięki jego
badaniom okazało się, że atomy tego samego
pierwiastka, czyli nieodróżnialne metodami
chemicznymi, mogą różnić się między sobą masą.
(Atomy tego samego pierwiastka różniące się masą
nazywamy
izotopami;
istnienie
izotopów
przewidział już wcześniej Soddy, współpracownik
Rutherforda). To pozwoliło wyjaśnić dlaczego
pewne pierwiastki maja masę atomową nie będącą
całkowitą wielokrotnością masy atomowej atomu
wodoru; okazało się, że jest to średnia ważona mas
atomów (izotopów) wchodzących w skład danego
pierwiastka, przy czym masa atomowa izotopu jest
z dobrym przybliżeniem wielokrotnością masy
atomu wodoru.
Atomy mogą ulegać zmianom
Większość badań nad radioaktywnością
skupiała się na analizie promieniowania, jednak
część badaczy próbowało też dokonywać
modyfikacji atomów. Eksperymenty te polegały na
przepuszczaniu przez badaną substancję cząstek
alfa, które odgrywały tu rolę pocisków
bombardujących atomy tej substancji. Udało się
wtedy zaobserwować pojawienie się atomów
innego
pierwiastka.
Pierwszym,
który
zapoczątkował tego rodzaju eksperymenty był
znowu Rutherford; przepuszczając cząstki alfa
przez azot, stwierdzał pojawienie się śladowych
ilości tlenu i wodoru. Interpretacja Rutherforda
była następująca: w momencie gdy jądro atomu
azotu zaabsorbuje cząstkę alfa, wówczas
natychmiast emituje ono jądro wodoru [a samo
8
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
staje się jądrem tlenu – przyp. tłum.]. Była to
pierwsza udana próba modyfikacji jednego
pierwiastka i utworzenia drugiego; wkrótce po tym
przeprowadzono wiele kolejnych doświadczeń
tego rodzaju. Należy w tym miejscu podkreślić, że
dokonywane reakcje nie były traktowane przez
badaczy jako reakcje rozszczepienia jądra
(w obecnym rozumieniu tego słowa – przyp.
tłum.), gdyż o takiej ewentualności jeszcze nie
myślano.
Rutherford nazwał jądro wodoru protonem
i wskazał, że jest on podstawowym składnikiem
wszystkich jąder. Aby wyjaśnić stabilność jąder
cięższych pierwiastków, zawierających więcej
dodatnio naładowanych protonów, założył, że
składnikiem jąder są także ujemne elektrony, które
z częścią protonów tworzą neutralne pary, tworząc
w ten sposób stabilny układ. To nie rozwiązywało
jednak innych kwestii: pierwszą z nich stanowił
fakt, że masy jąder nie stanowią całkowitej
wielokrotności masy protonu, drugą zaś był
zagadkowy mechanizm rozpadu beta.
Znaczącym dla dalszego poznania budowy
jądra
atomowego
był
eksperyment
przeprowadzony przez Irenę Joliot-Curie i jej
męża
Fryderyka.
Poddali
oni
beryl
napromieniowaniu cząstkami alfa. W rezultacie
zaobserwowali oni silne promieniowanie,
uwalniające się z berylu, mające tę właściwość, że
wybijało atomy wodoru z substancji bogatych w
wodór, np. z parafiny. Ponieważ promieniowanie
to nie niosło ze sobą żadnego ładunku
elektrycznego, zostało ono zinterpretowane przez
badaczy jako promieniowanie gamma. James
Chadwick,
współpracownik
Rutherforda,
zaintrygowany rezultatem państwa Joliot-Curie,
powtórzył u siebie (w Laboratorium Cavendisha
w Cambridge) ich doświadczenie.
Przeprowadziwszy dokładne pomiary energii i
poddawszy je szczegółowej analizie doszedł do
odkrycia, że to nowe i nieznane promieniowanie
jest strumieniem cząstek obojętnych elektrycznie o
masie niemal równej masie protonu. Cząstki te
nazwał neutronami.
Odkrycie Chadwicka
spotkało się z ogromnym zainteresowaniem świata
naukowego. Neutron okazał się cząstką
znakomicie tłumacząca budowę jądra atomowego
Tło hisotryczne: Atomy
– jako układu złożonego z protonów i neutronów,
w równych w przybliżeniu ilościach.
Neutron okazał się też niezastąpionym
narzędziem pracy fizyków zajmujących się
badaniem jąder atomowych. Ze względu na jego
neutralność elektryczną, neutron mógł łatwo
wnikać do wnętrza jądra atomowego, nawet gdy
posiadał niewielką prędkość. Okazało się, że w ten
sposób można inicjować różnego rodzaju reakcje
jądrowe lub też tworzyć jądra izotopów
promieniotwórczych.
Jednym z kierunków badań z użyciem wiązek
neutronów
były
poszukiwania
nowych
pierwiastków, dotychczas nie ujętych w Tablicy
Układu Okresowego, o masie atomowej większej
od masy atomowej „najcięższego” wtedy
pierwiastka – uranu. Badania na tym polu
prowadzili m.in.: małżeństwo Joliot-Curie w
Paryżu, Enrico Fermi we Włoszech oraz Otto
Hahn i Fritz Strassmann w Berlinie. Do historii
przeszło doświadczenie Otto Hahna, który przez
bombardowanie uranu neutronami otrzymywał
bar – pierwiastek o masie znacznie mniejszej od
masy atomowej uranu. Wyraźnie niezadowolony
z otrzymanego rezultatu, Hahn listownie poprosił
Lizę Meitner o jego wyjaśnienie. (Liza Meitner
była wieloletnią współpracowniczką Hahna,
jednak w roku 1938 wyemigrowała do Szwecji w
obawie przed prześladowaniami antysemickimi
w
Niemczech,
gdyż
była
pochodzenia
żydowskiego). Liza Meitner początkowo uznała
ten wynik jako niewiarygodny, jednak zastrzegła
się, że w historii promieniotwórczości zdarzało się
już tyle niespodzianek, że nie można całkowicie
wykluczyć tego rezultatu. W celu uniknięcia
pomyłki Hahn jeszcze raz sprawdził wynik
swojego doświadczenia i uzyskał potwierdzenie
poprzedniego wyniku, o czym ponownie
powiadomił Lisę Meitner. Wówczas w odpowiedzi
stwierdziła ona, że reakcja rozpadu, którą Hahn
zaobserwował, jest z energetycznego punktu
widzenia możliwa. W artykule, który ukazał się
kilka miesięcy po publikacji Hahna, Liza Meitner
wraz z Otto Frischem przedstawiła poszerzoną
interpretację doświadczenia Hahna. Jego wynik
określiła mianem rozszczepienia; posługując się
modelem kroplowym jądra atomowego, proces
rozszczepienia
jądra
uranu
wytłumaczyła
rozpadem kropli na mniejsze fragmenty,
spowodowanym uderzeniem przez obiekt o
odpowiedniej energii [czyli uderzeniem neutronu
– przyp. tłum.]. [Liza Meitner oszacowała też ilość
energii wyzwalającej się w procesie rozszczepienia
na ok. 200 MeV na atom uranu < tj. ok. 80
megadżuli na gram substancji> – przyp. tłum.]
Wkrótce okazało się, że wynik doświadczenia
Hahna był prawidłowy – naukowcy potwierdzili,
że reakcji tej towarzyszy wydzielenie olbrzymiej
ilości energii oraz emisja kilku neutronów, które
mogą spowodować rozszczepienie kolejnych jąder
uranu i zapoczątkować reakcję łańcuchową.
Pliki audio zawierające wypowiedzi bohaterów
powyższego opracowania, takich jak Thomson,
Rutherford, Hahn i in. można znaleźć pod
adresem:
http://www.aip.org/history/mod/fission/fission1/01.html
Jestem wdzięczny D. Metz z Uniwersytetu
w Winnipeg za staranną korektę powyższego
opracowania i za komentarze do jego poprzedniej
wersji.
Literatura:
Berr, F., & Pricha, W. (1997). Atommodelle (3. Auflage ed.).
München: Deutsches Museum.
Blackmore, J. (1995). Ludwig Boltzmann: His Later Life and
Philosophy, 1900-1906. The philosopher. Dordrecht:
Kluwer.
Curie M. (1911). Radium and the new concepts in chemistry.
Nobel Lecture, December, 11,1911, Elsevier Publishing
Company, Amsterdam (1967) (http://www.nobelprize.org)
Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. L. (1963). The
Feynman lectures on physics. Reading, Mass.: AddisonWesley Pub. Co.
Geiger, H., & Marsden, E. (1909). On a Diffuse Reflection of
the α -Particles. Proceedings of the Royal Society of London.
Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical
Character, 82(557), 495-500.
Görs, B. (1999). Chemischer Atomismus: Anwendung,
Veränderung, Alternativen im deutschsprachigen Raum
in der zweiten Hälfte des 19, Jahrhunderts. Berlin: ERS.
Heidelberger, M. (1993). Die innere Seite der Natur : Gustav
Theodor Fechners wissenschaftlich-philosophische
Weltauffassung. Frankfurt am Main: Klostermann.
Heilbron, J. L. (1981). Historical studies in the theory of atomic
structure. New York: Arno Press.
Holton, G. J. (1978). The scientific imagination : case studies.
Cambridge [Eng.]; New York: Cambridge University Press.
Tło hisotryczne: Atomy
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
9
© 2012, [email protected] Research Group
Lavoisier, A. L. (1794). Elements of Chemistry. Transl. by
Kerr, 4th ed., Edinburgh: William Creech.
Losee, J. (2001). A historical introduction to the philosophy of
science. Oxford [England]; New York: Oxford University
Press.
Morgenweck-Lambrinos,
V.,
&
Trömel,
M.
(2001).
Wissenschaft und Legende: eine Nachbetrachtung zu Lise
Meitner, Otto Hahn und die Kernspaltung: eine Legende
Tło historyczne: Atomy zostało napisane przez prof. Petera
Heeringa,
przy
wsparciu
Komisji
(projekt nr 518094-LLP-1-2011-1-GR-COMENIUS-CMP) i
Uniwersytetu
we
Flensburgu,
Publikacja
nie może być odpowiedzialna za jakiekolwiek wykorzystanie
oparte na informacjach w niej zawartych.
Mould, R. F. (1998). "The discovery of radium in 1898 by
Maria Sklodowska-Curie (1867–1934) and Pierre Curie
(1859–1906) with commentary on their life and times". The
British Journal of Radiology 71 (852): 1229–54.
Müller, F. (2004). Gasentladungsforschung im 19. Jahrhundert.
Berlin: Verlag für Geschichte der Naturwissenschaften und
der Technik.
Müller, I. (2008). Ein Leben für die Thermodynamik. Vom
Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zum Planckschen
Wirkungsquantum. In: Physik Journal 7/3, 39-45.
Nye, M. J. (1993). From chemical philosophy to theoretical
chemistry : dynamics of matter and dynamics of disciplines,
1800-1950. Berkeley u.a.: Univ. of California Press.
Rife, P. (1992). Lise Meitner: ¬Ein Leben für die Wissenschaft.
Hildesheim: Claasen.
Rutherford E. (1911) The Scattering of α and β Particles by
Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine, Volume 21, pp. 669-688.
(http://www.chemteam.info/Chem-History/Rutherford1911/Rutherford-1911.html).
Shapin, S., & Schaffer, S. (1989). Leviathan and the Air-Pump:
Hobbes, Boyle, and the Experimental Life (1st Paperback
Edition ed.). Princeton: UP.
Sichau, C. (2005). Atomphysik : historische und fachliche
Materialien zur Unterrichtsvorbereitung. Oldenburg:
Didakt. Zentrum (diz).
Simonyi, K. (1995). Kulturgeschichte der Physik: von den
Anfängen bis 1990 (2. Aufl. ed.). Thun, Frankfurt/Main:
Deutsch.
Thomson, J.J. (1904). “On the structure of the atom: an
investigation of the stability and periods of oscillation of a
number of corpuscles arranged at equal intervals around
the circumference of a circle; with application of the results
to the theory of atomic structure”. In: Philosophical
Magazine 6 Volume 7, Issue 39, 237-265
Tilden, W. A., & Glasstone, S. (1926). Chemical discovery and
invention in the twentieth century. London: Routledge.
Weart, S. R. (1988). Nuclear fear : a history of images.
Cambridge, Mass.: Harvard University Press.
10
Niemcy.
odzwierciedla jedynie poglądy autorów i Komisja Europejska
aus unseren Tagen. NTM, 9, 29--40.
Storytelling Teaching Model: wiki.science-stories.org
Europejskiej
Tło hisotryczne: Atomy

Podobne dokumenty